Электрофильтрация

редактировать

Электрофильтрация - это метод, сочетающий мембранную фильтрацию и электрофорез в тупике.

Электрофильтрация считается подходящим методом для концентрирования и фракционирования биополимеров. Образование пленки на фильтрующей мембране, которая препятствует фильтрации, можно минимизировать или полностью избежать путем приложения электрического поля, улучшая характеристики фильтрации и увеличивая селективность в случае фракционирования. Такой подход значительно снижает затраты на последующую переработку в биопроцессах.

Содержание

  • 1 Метод
  • 2 Основные принципы
  • 3 Ссылки
  • 4 Литература

Метод

Рис. 1: Схематическое изображение камеры электрофильтрации

Электрофильтрация - это метод разделения и концентрация коллоидных веществ - например биополимеров. Принцип электрофильтрации основан на наложении электрического поля на стандартную тупиковую фильтрацию. Таким образом, созданная полярность облегчает электрофоретическую силу, которая противоположна силе сопротивления потока фильтрата, и направляет заряженные биополимеры. Это обеспечивает крайнее уменьшение образования пленки на мембранах микро- или ультрафильтрации и сокращение времени фильтрации с нескольких часов при стандартной фильтрации до нескольких минут при электрофильтрации. По сравнению с фильтрацией с поперечным потоком электрофильтрация демонстрирует не только повышенный поток пермеата, но также гарантирует снижение напряжения сдвига, что квалифицирует ее как особенно мягкий метод разделения биополимеров, которые обычно нестабильны.

Перспективное применение в очистке биотехнологических продуктов основано на том факте, что биополимеры трудно фильтровать, но, с другой стороны, они обычно заряжаются из-за присутствия амино и карбоксильных групп. группы. Электрофильтрация предназначена для предотвращения образования осадка на фильтре и улучшения кинетики фильтрации трудно фильтруемых продуктов.

электрофорез частиц и электроосмос становятся необходимыми, когда на процесс фильтрации накладывается электрическое поле. Путем электрофильтрации на обычную фильтрацию накладывается электрическое поле (постоянного тока), которое действует параллельно направлению потока фильтрата. Когда электрофоретическая сила F E, противоположно направленная потоку, превышает силу гидродинамического сопротивления F W, заряженные частицы мигрируют из фильтрующей среды, тем самым значительно уменьшая толщину фильтровальная лепешка на мембране.

Когда твердые частицы, подлежащие разделению, заряжаются отрицательно, они перемещаются к аноду (положительный полюс) и осаждаются на находящейся там фильтровальной ткани. В результате на мембране стороны катода (отрицательный полюс) имеется только очень тонкая пленка, позволяющая почти всему фильтрату вытекать через эту мембрану.

На рис. 1 схематически представлена ​​камера электрофильтрации с промывочными электродами. Для промывочной циркуляции используется буферный раствор . Этот подход был запатентован.

Фундаментальный

Рисунок 2: Фильтровальный пирог ксантана на фильтровальной пластине

Сила гидродинамического сопротивления оценивается в соответствии с законом Стокса.

FW = 6 ⋅ π ⋅ η ⋅ р H ν {\ displaystyle F_ {W} = 6 \ cdot \ pi \ cdot \ eta \ cdot {\ text {r}} _ {H} \ cdot \ nu}F_ {W} = 6 \ cdot \ pi \ cdot \ eta \ cdot {\ text {r}} _ {{H}} \ cdot \ ню

Электрофоретическая сила оценивается в соответствии с законом Кулона.

FE = 4 ⋅ π ⋅ ε 0 ⋅ ε r ⋅ r H ⋅ ζ ⋅ E {\ displaystyle F_ {E} = 4 \ cdot \ pi \ cdot \ varepsilon _ {0} \ cdot \ varepsilon _ {r} \ cdot {\ text {r}} _ {H} \ cdot \ zeta \ cdot {\ text {E}}}F_ {E} = 4 \ cdot \ pi \ cdot \ varepsilon _ {{0}} \ cdot \ varepsilon _ {{r}} \ cdot {\ text {r}} _ {{H}} \ cdot \ zeta \ cdot {\ text {E}}

В этих уравнениях r H представляет гидродинамический радиус коллоидов, ν {\ displaystyle \ nu}\ nu - скорость электрофоретической миграции, η {\ displaystyle \ eta}\ eta - динамическая вязкость растворов, ε 0 {\ displaystyle \ varepsilon _ {0}}\ varepsilon_ {0} диэлектрическая проницаемость в вакууме, ε r {\ displaystyle \ varepsilon _ {r}}\ varepsilon _ {r} - относительная диэлектрическая проницаемость воды при 298 К, ​​ζ {\ displaystyle \ ze ta}\ zeta - дзета-потенциал , E - электрическое поле. Гидродинамический радиус - это сумма радиусов частиц и неподвижной границы раздела с растворителем.

За счет стационарной электрофоретической миграции заряженных коллоидов электрофоретическая сила и сила гидродинамического сопротивления находятся в равновесии, что описывается следующим образом:

FW+ F E = 0

Эти эффекты влияют на электрофильтрацию биополимеров, которые также могут заряжаться не только силой гидродинамического сопротивления, но также силой электрического поля. Фокусировка на стороне катода показывает, что на отрицательно заряженные частицы действует сила электрического поля, которая противоположна силе гидродинамического сопротивления. Таким образом, образование фильтровальной корки на этой стороне затрудняется или в идеальной ситуации фильтровальная корка не образуется вовсе. В этом случае электрическое поле называется критическим электрическим полем E крит. В результате уравновешивания этих сил жидкости, находящиеся под действием электрической силы, становятся заряженными. В дополнение к приложенному гидравлическому давлению ∆pH на процесс также влияет электроосмотическое давление P e.

. Изменение основного уравнения Дарси, описывающего образование фильтрационной корки, с электрокинетическими эффектами путем интегрирования в предположении использования констант электроосмотического давления P e, критического электрического поля E krit и электрического поля E результаты: Предыдущие научные работы, проведенные на кафедре . из Биопроцессной инженерии Института инженерии естественных наук Университета Карлсруэ продемонстрировали, что электрофильтрация эффективна для концентрирования заряженных биополимеров. Уже получены очень многообещающие результаты по очистке заряженного полисахарида ксантана. На рис. 2 представлен кек на фильтре ксантана.

Ссылки

  1. ^WO 02051874 «Электрофильтрация биополимеров»
  2. ^Hofmann R., Posten C. (2003). «Улучшение тупиковой фильтрации биополимеров с помощью электрофильтрации под давлением». Химическая инженерия. 58 (17): 3847. doi : 10.1016 / S0009-2509 (03) 00271-9.

Литература

На Викискладе есть средства массовой информации, связанные с Электрофильтрация.
  • Воробьев Е., Лебовка Н., (2008). Электротехнологии экстракции из пищевых растений и биоматериалов, ISBN 978-0-387-79373-3.
Последняя правка сделана 2021-05-18 11:29:00
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте